Wie Pulsare funktionieren – die kosmischen Leuchttürme des Universums

Rotierende Überreste toter Sterne

Irgendwo im Sternbild Stier dreht sich eine dichte Materiekugel von kaum 20 Kilometern Durchmesser 30 Mal pro Sekunde und schleudert Radiowellenbündel in den Kosmos. Es ist der Krebsnebel-Pulsar, der kollabierte Kern eines Sterns, dessen Explosion im Jahr 1054 n. Chr. von chinesischen und japanischen Astronomen aufgezeichnet wurde. Er ist nur einer von etwa 3.400 bisher katalogisierten Pulsaren – und Astronomen entdecken immer noch neue Geheimnisse in ihren Signalen.

Ein Pulsar ist ein stark magnetisierter, schnell rotierender Neutronenstern, der fokussierte elektromagnetische Strahlungsbündel von seinen magnetischen Polen aussendet. Da diese Pole in der Regel relativ zur Drehachse geneigt sind, fegen die Strahlen wie das rotierende Licht eines Leuchtturms durch den Raum. Jedes Mal, wenn ein Strahl die Erde kreuzt, registrieren Radioteleskope einen präzise getimten „Puls“ – daher der Name.

Wie ein Pulsar entsteht

Wenn ein massereicher Stern – mindestens achtmal schwerer als die Sonne – seinen nuklearen Brennstoff verbraucht hat, kollabiert sein Kern in einer Supernova. Die Schwerkraft presst Protonen und Elektronen zu Neutronen zusammen und bildet so einen Neutronenstern mit etwa der Masse der Sonne, der in eine kugelförmige Stadt gepackt ist. Der Kollaps erhält den Drehimpuls: So wie sich eine Eiskunstläuferin schneller dreht, indem sie ihre Arme anzieht, beschleunigt sich der schrumpfende Kern dramatisch.

Der neugeborene Neutronenstern erbt und verstärkt auch das Magnetfeld des Muttersterns und erzeugt Felder, die eine Billion Mal stärker sind als die der Erde. Geladene Teilchen werden entlang der offenen Magnetfeldlinien in der Nähe der Pole beschleunigt und erzeugen intensive Strahlen von Radio-, Röntgen- und sogar Gammastrahlung.

Eine Entdeckung, die für Außerirdische gehalten wurde

Im November 1967 bemerkte die Cambridge-Absolventin Jocelyn Bell Burnell auf fast 30 Metern des Registrierpapierstreifens, den sie jeden Abend überprüfte, einen „Schmutzfleck“, der sich alle 1,337 Sekunden wiederholte. Das Signal war so regelmäßig, dass ihr Team es halb im Scherz als LGM-1 bezeichnete – „Little Green Men 1“ (Kleine grüne Männchen 1). Innerhalb weniger Wochen fand Bell Burnell drei weitere Quellen, schloss einen außerirdischen Ursprung aus und bestätigte eine neue Klasse von astronomischen Objekten. Der Nobelpreis für Physik 1974 ging an ihren Betreuer Antony Hewish und den Astronomen Martin Ryle; Bell Burnell selbst wurde kontroverserweise ausgeschlossen, obwohl sie später den Breakthrough Prize in Fundamental Physics 2018 erhielt.

Arten von Pulsaren

Nicht alle Pulsare sind gleich. Zu den Hauptvarianten gehören:

• Normale Pulsare drehen sich einmal alle paar Sekunden und verlangsamen sich allmählich, während sie Energie abstrahlen.
• Millisekundenpulsare rotieren Hunderte Male pro Sekunde. Es handelt sich um alte Neutronensterne, die durch das Absaugen von Materie von einem Begleitstern „hochgedreht“ wurden. Der schnellste bekannte, PSR J1748−2446ad, vollendet 716 Umdrehungen pro Sekunde – sein Äquator bewegt sich mit etwa einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit.
• Magnetare besitzen Magnetfelder, die bis zu tausendmal stärker sind als die gewöhnlicher Pulsare, und können starke Ausbrüche von Röntgen- und Gammastrahlen aussenden. Bisher wurden nur etwa zwei Dutzend bestätigt.

Warum Pulsare für die Wissenschaft wichtig sind

Da Millisekundenpulsare mit einer Regelmäßigkeit ticken, die Atomuhren Konkurrenz macht, sind sie zu unverzichtbaren Werkzeugen für Physik und Navigation geworden.

Nachweis von Gravitationswellen

Projekte wie NANOGrav überwachen Anordnungen von Dutzenden von Millisekundenpulsaren, die über den Himmel verteilt sind. Eine vorbeiziehende Gravitationswelle dehnt und staucht die Raumzeit und verändert die Ankunftszeiten der Pulse minimal. Im Jahr 2023 lieferte der 15-jährige Datensatz von NANOGrav mit 68 Pulsaren den ersten starken Beweis für einen Gravitationswellenhintergrund – ein leises Rauschen von Raumzeitwellen, das wahrscheinlich durch die Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher im gesamten Universum erzeugt wird.

Testen der Allgemeinen Relativitätstheorie

Binäre Pulsare – zwei Neutronensterne, die einander umkreisen – bieten natürliche Laboratorien für Einsteins allgemeine Relativitätstheorie. Die allmähliche Verkleinerung ihrer Umlaufbahnen stimmt mit den Vorhersagen des Energieverlusts durch Gravitationsstrahlung überein, eine Bestätigung, die den Nobelpreis für Physik 1993 einbrachte.

Tiefraum-Navigation

Da Pulsarsignale überall im Sonnensystem nachweisbar sind, können Raumfahrzeuge sie als natürliche GPS-Baken nutzen. Durch den Vergleich der Ankunftszeiten der Pulse an Bord mit den vorhergesagten Werten könnte eine Sonde ihre Position autonom bestimmen – keine Bodenstation erforderlich.

Immer noch voller Überraschungen

Selbst nach fast sechs Jahrzehnten Forschung liefern Pulsare immer wieder Rätsel. Der Krebsnebel-Pulsar beispielsweise erzeugt seltsame „Zebra-Streifen“-Muster in seinem Funkspektrum, die Forscher erst kürzlich mit einem Tauziehen zwischen Plasma-Beugung und Gravitationslinsen in Verbindung gebracht haben. Da Radioteleskope der nächsten Generation wie das Square Kilometre Array online gehen, werden voraussichtlich Tausende weitere Pulsare gefunden – jeder einzelne eine Präzisionssonde in die extremste Physik, die das Universum zu bieten hat.